종교와 과학 1강-천안대 최태연 교수

[김요한]

강의안>

제1장 우주

1. 우주 최대의 폭발: 빅뱅

태초에 상상할 수 없이 조그맣고 뜨거운 점이 하나 있었습니다. 이 점에 언제부터, 왜 생겼는지는 아무도 설명하지 못합니다. 그런데 이 점이 갑자기 거대한 에너지를 발산하며서 폭발했습니다. 폭발 후, 몇분 만에 우주를 구성하는 모든 원자가 생겨났습니다. 그리고 이 원자들은 우주를 만들어 냈습니다. (가장 작은 소립자 쿼크와 렙톤, 그리고 우주의 네가지 힘인 중력, 전자기력, 우라늄 등의 방사능 붕괴를 일으키는 약력, 원자핵 내에서 양성자와 중성자 및 쿼크들을 결합시켜 주는 강력(핵력)은 불과 100억분의 1초만에 생겨났고 그 후 양성자, 중성자, 전자 등의 입자가 생성되고 곧바로 양성자와 중성자가 결합하여 원자핵이 생기고 핵은 다시 전자와 느슨하게 연결되어 플라스마라는 이온상태의 가스를 발생시키고 마침내 원자핵과 전자가 단단하게 결합해 원자가 형성되어 우주 전체로 퍼져 나갔습니다). 이렇게 만들어진 우주는 계속 팽창하고 있습니다. 우주가 계속 팽창할 것인지, 아니면 다시 수축할 것인지에 대하여는 과학자들은 저마다 다른 생각을 가지고 있습니다. 이런 내용이 ‘빅뱅’(Big Bang)이론의 핵심입니다.

빅뱅이론이 추측되기 시작한 때는 1929년 미국 천문학자 허블(Hubble)이 망원경을 이용하여 수백만개의 은하를 관측하고 이 은하들이 빠른 속도로 서로 멀어지고 있다는 사실을 발견하고부터 입니다. 허블은 은하들이 서로 멀리 떨어져 있을수록 빠른 속도로 멀어지고 있음을 관측했을 뿐만 아니라, 은하들이 멀어지는 속도와 거리의 비율(허블상수)이 항상 일정하다는 사실도 발견했습니다. 과학자들은 이 사실을 역추론하여 우주는 최초에 하나의 점에 불과했으며 은하의 속도와 거리를 측정하여 우주의 나이를 알아낼 수 있다고 생각했습니다. 그러나 각각의 은하가 현재의 위치에 도달하는 시간을 측정한 결과 서로 다른 결과가 나왔습니다. 과학자들은 대체로 우주의 나이가 80억-120억년 정도라는데 동의하고 있습니다. 빅뱅이론의 확실한 증거는 1964년에 발견된 우주 공간의 모든 가장자리로부터 발견된 일정한 온도의 마이크로파(전자 레인지에서 나오는 파)입니다. 만일 태초의 뜨거운 점이 폭발하여 확산되면서 계속 식어갔다면 이론적인 계산으로 그 온도는 섭씨 -270도가 되리라고 예측했었는데 바로 우주 가장자리의 마이크로파의 측정 온도가 섭씨 -270도였던 것입니다.

2. 시간의 화살

우리는 본능적으로 시간이 한쪽 방향으로 가고 있다는 걸 압니다. 시간은 항상 과거에서 현재로, 현재에서 미래로 가고 있는 것처럼 보입니다. 시간 속에 있는 모든 사건은 되돌릴 수 없습니다. 이것을 시간의 불가역성이라고 합니다. 시간의 불가역성은 엔트로피 현상과 관계가 있습니다. 엔트로피란 열역학의 개념으로 우주의 모든 물질은 무질서를 향해 나가는 경향을 가진다는 것입니다. 하늘에서 내려오는 눈은 그 눈을 만드는 구름보다 무질서 합니다. 중고자동차는 새자동차 보다 무질서 합니다. 자연계에서는 무질서 상태의 분자 집단이 저절로 원래의 질서상태로 돌아갈 수 없습니다. 노인이 갑자기 어린이 상태로 돌아갈 수 없는 것과 마찬가치 이치입니다. 우주 전체의 규모로 보면 팽창하고 있는 우주는 최초의 점의 상태로 돌아갈 수 없습니다. 즉 시간도 원래의 상태로 돌아갈 수 없다는 뜻입니다. 그러나 만일 우주가 수축해서 다시 원점으로 돌아간다면 시간은 거꾸로 흐를까요? 이런 일이 일어난다고 가정해도 우리 인간에게는 우주 수축의 과정도 시간이 한방향으로 지속되는 것으로 나타날 겁니다.

3. 퀘이사(quasars)

퀘이사란 지구에서 수십억 광년 떨어진 곳에서 아주 밝은 빛과 엄청난 양의 에너지를 방출하고 있는 발광체입니다. 우리 은하계로부터 가장 밝고 가장 먼 퀘이사는 크기는 태양계만하지만, 은하계 전체의 에너지보다도 백배나 많은 에너지를 방출하고 있습니다. 이 퀘이사가 발견된 때는 1960년 초반입니다. 과학자들은 이 발광체를 ‘별과 비슷한 전파원’(quasi-stellar radio source)이라고 이름 붙이고 약자로 퀘이사(quasars)라고 부르기 시작했습니다. 과학자들이 이 퀘이사가 별처럼 보이지만 별이 아니라는 사실을 알게 되었습니다. 왜냐하면 퀘이사의 빛이 적색이동(편이)을 나타내기 때문입니다. 적색이동이란 우리로부터 멀어지고 있는 은하의 빛의 스펙트럼이 파장이 긴 붉은 색을 나타내는 현상입니다. 적색이동을 보여주는 발광체는 별이 아닌 가스 종류입니다. 특히 퀘이사는 블랙홀에 빨려들기 직전에 내뿜어진 빛이라고 추정합니다. 블랙홀에 빨려들어가던 가스와 먼지들이 서로 부딪쳐 급회전을 하면서 강력한 에너지를 내는 현상 말입니다. 퀘이사는 대체로 우주에서 가장 가장자리에 있고 생겨난지도 가장 오래됩니다. 우주의 끝에 있고 숫자도 가장 많은 퀘이사들은 우주가 태어난지 10억년 만에 생겨난 것으로 추측됩니다.

4. 별이 되기까지

별은 우주에 흩어져 있는 가스와 먼지들이 중력에 의해 서로 뭉쳐서 생겨납니다. 이 물체는 점점 더 주위의 많은 물질을 끌여당겨 동그란 덩어리가 됩니다. 이것이 별입니다. 그러나 우리가 아는 별들은 모두 빛을 내는 별입니다. 별이 빛을 내려면 물질 덩어리가 중력에 의해 수축되어 엄청난 압력을 받은 중심부에서 열을 내야 합니다. 만일 별이 열을 내지 않고 계속 수축한다면 블랙홀이 될 것입니다. 그러나 모든 별은 내부의 압력이 어느 정도에 도달하면 핵융합 반응을 일으켜 엄청난 열에너지를 밖으로 분출합니다. 이 에너지가 별빛입니다. 이 에너지가 별을 스스로 함몰하여 파괴되는 것을 막아줍니다. 별이 덩치가 클수록 스스로를 수축시키는 중력에 저항하기 위해 많은 연료를 태워 핵융합 반응이 활발하게 일어납니다. 일단 핵융합을 시작한 별은 안정기에 접어들지만, 별이 밝으면 밝을수록 별의 수명은 짧아 집니다. 핵융합을 하는 별들이 우주에는 가장 많기 때문에 그 별들을 ‘주계열성’이라고 부릅니다. 우리 태양의 경우 중간 크기의 주계열성으로 지금까지 약 50억년을 핵융합을 했고 앞으로 50억년간 더 타오르면 연료(수소)가 바닥나게 될 겁니다.
‘주계열성’의 중심부에 있는 연료가 바닥나면 중력에 대항하는 에너지가 없으므로 중력에 의해 별이 다시 수축됩니다. 그리고 그 수축 때문에 다시 별 내부의 압력이 증가해 온도가 올라갑니다. 그러면 이제는 별의 껍질부분에서 핵융합이 일어너면서 별의 중심은 수축되고 별의 바깥층은 팽창합니다. 이 때 별의 색깔은 팽창한 가장 바깥층이 식으면서 붉은 빛이 됩니다. 이런 상태의 별을 ‘적색거성’이라고 합니다.
‘적색거성‘은 일정 기간이 지나면 바깥부분의 에너지가 바닥나면서 다시 수축해서 매우 작아집니다. 이 때 크기가 크지않은 별들에서는 별의 중심에 남아있는 전자들이 더 이상 수축되지 않으려고 저항하기 때문에 중력과 균형을 이루어 또다시 안정기에 접어 듭니다. 이 때는 흰색의 밝은 빛을 내기 때문에 ‘백색왜성’이라고 불립니다. ‘백색왜성’은 완전히 빛을 잃기까지 오랫동안 빛을 냅니다. 태양도 적색거성을 거쳐 백색왜성으로 끝을 맺게 될 겁니다. 그러나 크기가 아주 큰 별들에서는 거대한 중력의 힘을 이기지 못하고 전자들이 양성자와 결합하여 중성자를 만들고 이 중성자들이 중력에 저항하여 ‘중성자 별'이 되어버립니다. 중성자별의 경우 태양 크기의 질량을 가진 별도 반경 10km 정도로 축소됩니다. 만일 별의 중력이 중성자도 저항할 수 없을 정도로 크다면 완전히 붕괴되어 블랙홀이 되어 버리고 맙니다. 우주에서 크기가 가장 큰 별은 적색거성이 수축되는 속도가 너무 빨라서 차가운 바깥층이 불과 몇 시간 만에 핵속으로 수축되면서 온도가 급속하게 오르면서 거대한 핵폭발을 일으킵니다. 이 폭발을 ‘초신성’이라고 부르며 우리 은하계에서는 10년에 두, 세 번 일어나는 정도입니다. 초신성은 며칠동안 장엄하게 타오른 다음 중성자 별이나 블랙홀로 변해 버립니다.

별의 변화: 가스->별->주계열성->적색거성->백색왜성, 중성자별, 초신성, 블랙홀

5. 망원경

과학적으로 말해서 망원경은 먼곳에 있는 물체가 방출하는 복사를 모으는 도구입니다. 복사에는 가시광선, 적외선, 자외선, X선, 감마선, 우주선, 중성미자, 전파 등이 있습니다. 천체를 관측하는 망원경은 대부분 광학망원경인데 그것은 가시광선에서 나오는 광파(빛의 파동)을 관측하는 망원경입니다. 이 광학망원경에도 두 가지가 있습니다.
첫째는 굴절망원경입니다. 이 망원경은 1609년 갈릴레오가 처음 만든 것으로 밖에서 들어온 광파가 망원경 렌즈에 의해 굴절하도록(꺽이도록) 되어있습니다. 굴절된 광파는 두 번째 접안렌즈에 의해 확돼되어 눈에 보이게 됩니다. 굴절망원경은 붉은 색과 푸른 색의 광파를 동시에 선명하게 볼수 없는 약점과 볼록렌즈를 무한정 크게할 수 없는 약점 때문에 천문대에서 사용되지 않게 되었습니다. 세계에서 가장 큰 굴절망원경은 1897년에 만들어진 지름 1m의 망원경입니다.
둘째 반사망원경은 1668년 뉴우턴의 의해 만들어졌습니다. 반사망원경은 오목거울를 이용해 빛을 모읍니다. 이렇게 모여진 빛은 오목거울과 45도 각도가 되도록 놓여진 작은 거울에 의해 반사된 다음, 접안렌즈를 통해 확대됩니다. 반사망원경의 장점은 오목거울을 렌즈보다 훨씬 크게 만들 수 있기 때문에 더 많은 빛을 모을 수 있고 더 세밀한 상을 만들 수 있습니다. 현재 가장 큰 반사망원경은 하와이 마우나산에 있는 ‘켁망원경’으로 지름이 10m에 달합니다. 요즘은 작은 거울을 많이 사용해서 하나의 오목렌즈를 만듭니다.

6. 외계문명

외계문명은 우리 인간과 전혀 다른 모습을 한 생명체들이 다른 별에서 만든 문명을 말합니다. 외계문명에 대한 논쟁거리는 대체로 두 가지 입니다. 첫째, 외계문명이 존재하는가의 문제이고, 둘째, 만일 외계인들이 존재한다면 그들과 의사소통을 할 수 있나의 문제입니다.
외계문명의 존재여부에 대해서 부정적인 과학자들은 지구와 동일한 조건을 가진 행성이 없으므로 인간과 같이 발전된 문명은 가진 생물체는 없다는 주장입니다. 반면에 긍정적인 학자들은 ‘평범원칙’ 의해 우리 은하에만 태양과 비슷한 별이 400억개나 되므로 그 중에는 지구와 비슷한 조건을 가진 행성이 있을 확률이 충분하다고 주장합니다.
현재 SETI (지구외 문명탐사계획) 프로그램에 의해 전파망원경으로 특정한 전파를 보내 외계인들과 통신을 시도하고 있습니다. 1992년 10월 미국은 1억달러를 투자해서 10년동안 외계인이 보낸 전파를 조사하는 계획을 세웠습니다. 그러나 아직 공식적으로 발표된 결과는 없습니다. 과연 외계인과 문명이 존재할까요? 그렇다면 그들은 왜 우리에게 나타나지 않을까요? 만일 외계인인 있다면 그들도 하나님의 피조물일까요?

7. 블랙홀

블랙홀은 아주 거대한 별이 붕괴하는 마지막 단계에 일어나는 현상입니다. 상상할 수 없이 거대한 물질이 엄청난 밀도로 압축된 작은 덩어리로 붕괴하여 중력만 존재하는 상태입니다. 이 블랙홀에서는 빛을 포함한 어떤 것도 바깥으로 빠져나올 수 없으므로 광찰이 불가능합니다. 천문학자들은 빛에 의해서 우주를 관찰하기 때문에 블랙홀을 직접 파악할 수 없고 다만 ‘블랙홀 후보’에 대해서 말할 뿐입니다. 과학자들은 블랙홀 후보 주변에서 빛이 휘는 현상을 관찰하여 블랙홀의 존재를 추정합니다. 두개의 별이 쌍을 이루 경우, 블랙홀 현상을 더 잘 추측할 수 있습니다. 두개의 쌍둥이 별 중 하나가 붕괴하여 블랙홀이 된 경우 나머지 별의 물질은 심하게 소용돌이 치게되고 그 소용돌이가 커질수록 물질 온도가 올라가 X선이 방출됩니다. 은하계에는 백조자리 X-1이란 초거성이 있는데 이 별은 보이지 않는 무엇인가를 돌며 X선을 방출하고 있습니다. 그래서 학자들은 이 별을 블랙홀의 존재를 알려주는 가장 강력한 증거로 보고 있습니다.
블랙홀은 밀도가 너무 커 태양의 다섯배나 되는 질량을 가진 블랙홀의 지름이 20km 정도 밖에 되지 않습니다. 완전히 붕괴된 블랙홀은 ‘사건의 지평선’(event horizon)이라는 경계로 둘러 쌓이게 됩니다. 블랙홀 주위를 지나가는 모든 물체가 이 경계를 넘으면 블랙홀로 흡수되어 버립니다. 최근에는 우주의 가장자리의 퀘이사 뿐만 아니라, 우리 은하의 중심에도 블랙홀이 존재한다는 주장이 제기되고 있습니다.

8. 초끈이론

우리는 지금까지 우주를 구성하는 입자(중성자, 양성자, 전자, 소립자)의 모양의 둥근 구의 모습라고 생각해 왔습니다. 그러나 최근에 이 입자의 모양이 가는 끈(string) 모양이라는 이론이 등장했습니다. 이 이론을 초끈이론(Superstring theory)라고 합니다. 초끈이론은 작은 끈 같이 생긴 소립자의 다양한 진동이 다른 입자들과 우주의 네가지 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력) 모두를 생성시키고 우주를 10차원으로 만들어 냈다고 설명합니다. 우리는 여태까지 아인슈타인의 일반상대성이론을 통해서 우주를 구성하는 4차원(3차원 공간 및 시간)을 알고 있지만, 나머지 6차원에 대해서는 잘모릅니다. 이 6차원은 빅뱅의 순간에 나타났다가 그 즉시 우리가 볼 수 없는 어떤 형태로 말려들어 갔다고 추측하고 있습니다.
이렇게 황당한 초끈이론이 1970년대 이후 사람들의 관심을 끌게 된 이유는 우선 아인슈타인이 숙제로 남겨둔 ‘통일장 이론’을 새롭게 해명해 주기 때문입니다. 아인슈타인은 거시적 우주의 시공간 구조의 연속성을 잘 설명해준 ‘일반상대성 이론’과 분자와 원자 차원의 미시적 세계에 잘 들어맞는 ‘양자역학’을 함께 설명해 주는 새로운 통일이론을 찾아내려 노력했지만, 뜻을 이룰 수 없었습니다. 초끈이론은 아인슈타인의 이루지 못한 꿈에 도전하는 이론입니다. 둘째로 초끈이론은 완벽한 수학적 모델을 가지고 있습니다. 이 이론은 물질을 구성하는 소립자와 힘을 전달하는 소립자 사이의 대칭과 상호호환 관계를 수학 방정식으로 잘 설명해 주므로 아직 실험적으로 증명되지는 않았지만 이론으로서 가치를 가지는 것입니다. 1980년대 이후에 에드워드 위튼같은 과학자들은 초끈이론을 더 발전시켜 다섯 개의 타잎으로 나누고 다시 이 다섯모델을 하나로 통일하는 M-이론을 제시하고 있습니다. M-이론에서는 ㅇ주가 9차원으로 이루어져 있다고 주장합니다.

9. 암흑물질

인간이 알고 있는 우주의 별들은 우주를 이루는 물질의 10%에 지나지 않습니다. 아직 알려지지 않은 나머지 90%의 물질을 ‘암흑물질’(dark matter) 또는 ‘잃어버린 물질’(missing matter)이라고 부릅니다. 사실 이 물질들은 우리가 가지고 있다가 잃어버린 것이 아니라, 그 정체와 장소가 알려지지 않았을 뿐입니다. 그러면 무슨 근거로 우주에 90%를 암흑물질이 차지하고 있다고 할 수 있을까요? 바로 은하의 존재가 이를 설명해 주기 때문입니다. 은하는 별들의 거대한 집단으로서 중심을 빠른 속도로 회전하고 있습니다. 회전하는 물체들은 원심력에 의해 바깥 방향으로 흩어져야 합니다. 이 원심력을 막는 힘, 즉 구심력은 중력밖에 없습니다. 문제는 은하의 회전력을 상쇄시킬만한 중력을 만들어 낼 질량을 은하의 별들이 가지고 있지 않다는 것입니다. 은하의 물질은 힘의 균형을 유지할 수 있는 질량의 10분의 1의 질량을 가지고 있을 따름입니다. 그렇다면 나머지 중력은 어디서 생겨났을까요? 과학자들은 나머지 중력을 만들어 낸 물질이 있다고 생각합니다. 이 물질들은 어떤 형태의 복사(빛, 열, 전파 등)도 흡수하거나 방출하지 않습니다. 그래서 우리에게 관측되지 않는 겁니다. 과학자들은 암흑물질의 20%는 뜨겁고 나머지 80%는 차갑다고 봅니다. 차가운 암흑물질은 빅뱅이 일어났을 때, 빛보다 훨씬 느린 속도로 만들어 진 입자입니다. 1995년에 매우 약하게 상호작용을 하는 질량이 큰 소립자가 발견되어 '윔프’(WIMP)라고 불리게 되었는데, 이 입자가 차가운 암흑물질을 구성한다고 생각되고 있습니다. 반면에 뜨거운 암흑물질은 가장작은 소립자인 중성미자일 가능성이 있습니다. 블랙홀이 암흑물질의 주성분이라고 생각하는 과학자도 잇었지만, 요즘은 별로 지지를 받지 못합니다. 암흑물질은 여전히 암흑과 신비에 쌓여 있습니다.


제2장 물리학

10. 엔트로피

엔트로피는 ‘모든 물질에 있는 무질서의 양’이기도 하면서 ‘모든 사물이 더 무질서하게 나아가는 방향’을 의미하기도 합니다. 이 우주에서 가장 확률이 높은 상태는 가장 무질서한 상태입니다. 무질서에서 질서를 만드는 것보다 질서에서 무질서로 가는 것이 훨씬 빨리 일어납니다. 집을 짓는 데 드는 시간보다 부수는데 드는 시간이 훨씬 적게 듭니다. 우주의 한 부분(닫힌 계)에서 질서를 만들려면 다른 계에서는 무질서가 생겨납니다. 예를 들면 우리가 집안정리를 하기 위해서는 우리 몸 속의 에너지가 소비되어야 하므로 질서있는 음식물이 무질서한 방향으로 분해되거나 배설됩니다. 건강한 생명체는 질서가 높습니다. 그러나 늙거나 병이들면 무질서해 집니다. 엔트로피는 열역학 법칙에 의해 알려졌습니다. 열역학 제1법칙은 열에너지는 반드시 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐른다는 것입니다. 제2법칙은 인간이 만든 기계는 그 기계에 들어간 에너지를 모두 일로 바꿀 수 없다는 것입니다. 에너지는 항상 열이 낮은 곳으로 흐르기 때문에 에너지 손실이 일어나기 때문입니다. 제2법칙은 모든 계는 시간의 흐름에 따라 무질서를 향해 나아간다는 것입니다. 즉 시간이 한 방향으로 흐르는 현상을 말합니다. 가장 커다란 닫힌 계인 우주도 엔트로피가 증가하는 방향으로 움직이고 있습니다. 엔트로피가 매우 낮았던 태초의 상태로부터 우주는 폭발하여 엔트로피가 높은 방향으로 팽창하고 있습니다. 그렇다면 우주의 엔트로피는 무한히 높아질까요? 아니면 어느 시점에 이르면 엔트로피 증가가 정지할까요? 기독교 종말론의 부활과 새하늘과 새땅의 도래는 엔트로피 법칙이 역전되는 것을 의미합니다.

11. 쿼크와 중성자

쿼크는 20세기 중반까지 과학자들은 우주를 구성하는 기본입자를 양성자, 중성자, 전자로 보았습니다. 그러나 겔만이란 과학자가 기본입자는 훨씬 더 작은 단위인 중입자(hardron)와 경입자(lepton)으로 나뉜다는 사실을 발견했습니다. 중입자가 바로 쿼크입니다. 겔만은 이 이름을 제임스 조이스의 소설 <피네건의 경야>에 나오는 알쏭달쏭한 의미를 가진 단어인 쿼크로부터 얻어 왔습니다. 그 의미대로 쿼크는 업(up), 다운(down), 참(charm), 스트레인지(strange), 톱(top), 바텀(bottom) 등의 여섯가지로 구분됩니다. 쿼크 이론에 따르면 여섯가지 쿼크는 빅뱅 직후에 만들어 졌습니다. 그러나 우주에는 양성자와 중성자를 구성하는 업과 다운만이 살아 남았습니다. 과학자들은 입자가속기를 통해 아주 높은 에너지 충돌을 일으켜서 나머지 쿼크를 만들어 냈습니다. 톱쿼크는 1995년 처음으로 발견되었습니다. 또한 쿼크와 질량은 똑같지만 전기적 성질은 정반대인 반쿼크도 존재합니다. 그러나 쿼크라는 입자가 뚜렸하게 확인된 것은 아닙니다. 입자가속기에서 쿼크의 흔적을 발견했을 뿐입니다. 쿼크가 더 작은 소립자로 이루어져 있을지도 모릅니다. 인간의 과학은 아직 거기까지 대답할 수 없습니다.
중성자는 양성자와 더불어 원자핵을 구성하는 입자입니다. 중성자는 전하를 띠지 않아 전기적으로 중성입니다. 중성자는 이 중성 때문에 다양한 곳에 존재합니다. 중성자는 핵분열에서 꼭 필요하기도 하고 죽어가는 별(중성자별)의 마지막 성분이 되기도 합니다. 원자핵을 인위적으로 쪼개어 중성자를 분리해 놓으면 15분 후에는 전자와 반중성미자 그리고 양성자로 붕괴됩니다. 중성자가 우라늄같은 물질의 핵에 부딪치면 핵이 쪼개지면서 두, 세 개의 중성자가 나오면서 원래의 핵의 질량과 쪼개진 물질의 질량의 차이만큼 에너지가 방출됩니다. 이 에너지가 가공할 원자탄의 폭발력이 되는 겁니다.

12. 반물질

우주의 모든 입자는 반대의 전하를 가진 반입자를 가지고 있습니다. 전기를 일으키는 전자는 음전하를 가지고 있는데 그 반입자인 양전자는 양전하를 가집니다. 1928년 영국의 물리학자 디랙이 이 양전자의 존재를 예언했고 1932년 미국의 앤더슨이 그 존재를 실험적으로 확인했습니다. 1930년대 이후 과학자들은 입자가속기를 통해 반입자를 계속 만들어 내고 있습니다. 아직 반원자를 만들지는 못했지만 최근 반양성자와 양전자의 결합하여 안정된 반원자를 만들려고 시도하고 있습니다. 반물질을 이용하면 방사선 노출이 적어지기 때문에 의료기술에서 활용할 수 있습니다.

13. 관성

뉴턴은 유명한 운동의 제1법칙을 설명하면서 관성의 개념을 만들었습니다. 그는 관성을 “운동의 변화에 대한 물체의 저항”이라고 정의했습니다. 쉽게 말하면 지금까지 멈춰있던 물체는 계속 멈춰있으려 하고 움직이던 물체는 계속 등속운동을 하려 한다는 것입니다. 관성의 법칙은 우주에서 운동하는 모든 물체에 적용됩니다. 어떤 물체의 무게는 그 물체에 작용하는 중력에 따라 달라지지만, 물체의 질량은 어떤 경우에도 변함이 없습니다. 물체 안에 들어있는 물질의 양은 똑같기 때문입니다. 관성을 측정하기 위해서는 그 물체의 질량을 알아야 합니다. 관성은 운동하는 물체의 질량과 속도에 비례하기 때문입니다. 자동차가 벽에 충돌할 때, 차는 벽의 힘 때문에 정지하지만, 운전자는 관성때문에 지금까지의 차의 속도로 앞으로 튀어 나가게 됩니다. 그 사람이 안전벨트를 착용하지 않았다면 말입니다.

14. 전류

전기는 전자가 이동하는 현상입니다. 조금더 전문적으로 말하면 전기는 전자에 의해 양전하쪽으로 운반되는 음전하의 흐름입니다. 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하도 도체를 통하여 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 여러분이 220볼트 전위를 가진 구리전선에 손을 대면 전선과 여러분이 딛고 서있는 땅의 전위차가 매우 크므로 도체인 여러분의 몸을 관통하여 땅 속으로 흘러갈 것입니다.(그리고 십중팔구 여러분은 하늘나라에 도착합니다) 즉 전류(전하의 흐름)를 흐르게 하려면 전위차를 유지해야 합니다. 발전기는 전위차를 만들어 내어 전류를 흐르게 하는 기계입니다. 발전기는 자기장 속에 회전할 수 있는 구리선으로 되어 있습니다. 자기장에 의해 음전하를 가진 전자가 양성자와 분리되면서 전위차가 생겨납니다. 그 결과 구리선이 회전하면서 자기장 안에서 전선이 통과하는 지점이 변하므로 전선 속의 전자가 한쪽 방향으로 흐르다가 전선이 반대 위치에 놓이면 전자가 반대방향으로 흐릅니다. 이렇게 전자의 방향이 수시로 변하면서 생기는 전류를 교류(AC)라고 합니다. 반면에 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 전류를 만드는 전지의 경우, 전류는 한쪽 방향으로 흐르는데 이것을 직류(DC)라고 합니다. 전위의 단위는 볼트(V)라고 하고 전류가 단위시간에 하는 일 또는 에너지의 양을 ‘전력’이라고 합니다. 전력은 ‘와트’(W)로 측정합니다. 전류의 크기는 ‘암페어'(A)로 나타냅니다. 1와트는 1암페어 크기의 전류가 1볼트의 전위차가 나는 도체를 통과할 때 발생하는 에너지의 양을 말합니다.

15. 전자기 스펙트럼

전기가 일어날 때, 즉 전하가 흐를 때는 언제나 자기장이 생깁니다. 자기장은 자기를 띤 물체가 갖는 운동의 범위를 말합니다. 자기장이 변할 때, 반드시 전기장이 생겨납니다. 이처럼 전기와 자기는 동일한 현상의 두 측면입니다. 왜냐하면 전기와 자기는 둘다 ‘광자’라는 질량이 거의 없는 입자로 구성되어 있습니다. 광자는 입자이기도 하고 파동이기도 합니다. 광자의 파동(진동하면서 움직임)에 의해 자기장과 전기장이 상호순환적으로 생겨납니다. 광자의 파동에 의해 긴것부터 짧은 것까지의 파장이 생겨납니다. 이러한 파장의 범위와 차이를 전자기 스펙트럼이라고 부릅니다. 여기에는 긴 파장의 전파로부터 시작해서 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선의 순서로 짧아집니다. 모든 형태의 전자기 복사(파동)는 1초에 30만km를 이동하는 빛의 속도로 움직입니다. 파장이 긴 전파와 인공위성과 TV 신호에 이용되는 마이크로파는 인체에 해가 없습니다. 적외선은 인간의 눈으로 식별하지 못하고 영로 감지합니다. 자연의 색을 감지하는 가시광선은 전자기 스펙트럼에서 조그만 부분을 차지합니다. 자외선은 지구 대기권에서 대부분 흡수되지만, 일부는 지표면까지 도달해서 피부를 태웁니다. X선이 물체를 통과하는 성질을 이용해서 X선촬영에 이용합니다. 그러나 자외선보다 잛은 전자기파에 자주 노출되면 인체의 세포가 파괴됩니다. 전자레인지는 전파를 마이크로파로 바꾸고 마이크로파가 적외선을 발생시키게 하여 음식을 데웁니다.

16. 도플러 효과

기차가 가까이 다가올 때 기적소리의 음은 높아지고 기차가 여러분을 지나가면서 그 소리는 작아집니다. 이 평범한 현상을 1842년 도플러라는 과학자가 해명해 냈습니다. 기차의 기적소리는 실제로 변하지 않습니다. 그러나 기차가 가까이 올때, 사람의 귀에 도달하는 소리의 진동수가 많아지면서 소리가 높아집니다. 즉 소리의 높낮이는 진동수와 관계가 잇다는 말입니다. 도플러 효과는 소리 뿐만 아니라, 빛의 파동에도 적용됩니다. 도플러는 별의 색깔을 설명하기 위해 이 효과를 적용했는데, 이 생각을 계기로 다른 과학자들이 별의 적색이동(편이) 개념을 만들게 되었습니다. 적색이동이란 우리로부터 멀어져가는 은하의 빛이 파장이 긴 적색으로 변하는 현상입니다. 왜냐구요? 은하도 빠르게 움직이는 우주의 기차이기 때문에 우리로부터 멀어지면 빛의 파동도 낮아지므로 빨간색으로 변하는 것입니다. 앞서 공부한 미국의 천문학자 허블은 이 현상을 이용해서 ‘허블상수’를 발견해 냈습니다. 허블상수란 멀어지고 있는 은하의 속도가 떨어진 거리에 따라 증가하는 비율을 말합니다. 멀리 떨어진 은하일수록 점점 빠른 속도로 멀어지고 있습니다. 천문학자들은 허블상수를 이용해서 은하의 거리와 속도를 측정합니다. 도플러 효과는 경찰에게도 도움을 주고 있습니다. 경찰은 스피드 건으로 발사한 전파의 진동수와 자동차에 부딪쳐서 되돌아 온 전파의 진동수의 차이를 측정해서 자동차의 속도를 알아내기 때문입니다.

여러분은 현대과학을 이해하기 위한 첫걸음을 디뎠어요! 쉽죠?